组织细胞的三维培养
三维细胞培养技术的发展
三维细胞培养技术的发展近年来，三维细胞培养技术（3D cell culture）已经成为细胞生物学领域重要的研究工具。
与传统的二维培养方式相比，三维培养可以更好地模拟生物体内的细胞环境，具有更高的生物学可靠性和生理学逼真度。
在肿瘤学、药物筛选、组织工程等领域，三维细胞培养已经得到了广泛的应用。
本文将探讨三维细胞培养技术的发展历程、技术原理、现状和未来展望。
一、发展历程人类对于三维细胞培养技术的探索可以追溯到上世纪80年代。
当时，一些研究者开始尝试将细胞培养在微孔板或者多孔性材料中，以模拟细胞在组织中的排列方式和相互作用。
这些尝试虽然初步地展示了三维细胞培养的潜力，但是却受到了一些技术限制，比如细胞间的通讯困难、物质交换不足等。
随着材料科学和微纳米技术的发展，人们开始发现一些新的、更有效的三维培养平台，如高分子凝胶、仿生纤维、及微米纳米级别的自组装结构等。
这些新技术的突破使得三维细胞培养的可行性得到了极大的提高，同时也带来了更多的应用前景。
二、技术原理三维细胞培养技术的原理就是将细胞种植在三维空间内的基质中，并模拟相关的生物学和物理学参数来创造细胞在生物体内的自然环境，以更好地还原细胞在体内的行为和物理信息。
与二维培养相比，三维培养能够更好地模拟细胞在组织中的排列与生理功能, 从而更准确地研究细胞毒性、药物筛选、干细胞等肿瘤领域.三、现状目前，三维细胞培养技术已经得到了广泛的研究和应用。
在肿瘤学领域，三维培养可以更好地模拟肿瘤的生长、转移、药物治疗和放疗等过程，为临床治疗提供更准确的信息。
在药物筛选领域，三维培养可以更准确地反映药物在细胞内的作用机制和药效，因此能够更准确地辨别药物的疗效和毒性。
在组织工程领域，三维培养可以模拟人体器官的外观结构和功能，从而为组织修复和再生提供新的途径。
然而，三维细胞培养还存在一些挑战和难点。
比如，如何将不同类型的细胞组织成复杂的结构，如何在三维环境下更好地模拟血流、细胞间的物质交换和信号传递。
组织和细胞培养技术
组织和细胞培养技术引言：组织和细胞培养技术是生物科学领域中的一项重要技术，它可以在体外条件下培养和繁殖各种组织和细胞。
这项技术的出现，不仅为生物学研究提供了便利，也在医学、农业等领域起到了重要作用。
本文将从组织培养和细胞培养两个方面介绍这项技术的原理、应用以及未来发展方向。
一、组织培养技术组织培养技术是指将植物或动物的组织切割并在适当的培养基上进行培养，使其继续生长和繁殖的过程。
其基本原理是通过提供适宜的培养基和条件，提供细胞分裂所需的养分和环境，使组织细胞在体外不断生长和分化。
在组织培养技术中，培养基的配方是关键。
培养基通常由无机盐、有机物、植物激素和维生素等组成。
无机盐提供细胞所需的微量元素和离子，有机物为细胞提供能量和碳源，植物激素调节细胞的生长和分化，维生素则是细胞代谢所必需的。
通过调整这些成分的比例和浓度，可以促进组织细胞的生长和分化。
组织培养技术在植物学研究中有着广泛的应用。
例如，通过组织培养技术，可以实现无性繁殖，即通过分离植物体的一部分组织并在培养基上进行培养，最终得到与母体完全相同的新植株。
此外，还可以通过组织培养技术研究植物的生长发育过程、细胞分化和基因表达等。
二、细胞培养技术细胞培养技术是指将动植物的细胞分离并在培养基中进行培养，使其在体外条件下继续生长和分裂的过程。
与组织培养技术相比，细胞培养技术更为广泛，可以培养各种类型的细胞，包括动物细胞、植物细胞和微生物细胞等。
细胞培养技术的基本原理是提供适宜的培养基和条件，使细胞在体外环境下获得生长和分裂所需的养分和环境。
培养基的配方与组织培养技术类似，但通常会根据不同类型的细胞进行调整。
细胞培养技术还需要控制培养条件，如温度、湿度和气体含量等，以提供最适宜的生长环境。
细胞培养技术在医学研究和生物工程领域有着广泛的应用。
在医学中，细胞培养技术可以用于研究疾病的发生机制、筛选药物和治疗方法等。
例如，可以通过培养人体癌细胞株来研究肿瘤的生长和转移机制，从而寻找治疗癌症的新方法。
细胞培养技术的前沿发展
细胞培养技术的前沿发展近年来，细胞培养技术已经成为了一个备受研究关注的领域。
随着人类对细胞水平的理解越来越深入，细胞培养技术的应用范围也越来越广泛。
在这个领域，许多新的技术和方法不断涌现，真正实现了细胞培养领域的飞速发展。
一、三维细胞培养技术三维细胞培养技术是指将细胞通过人工手段构建成三维结构，以更加贴近生理环境的方式进行培养。
相比于传统的二维细胞培养技术，三维细胞培养技术在模拟细胞外基质、培养液压力等方面更具有拟生性。
这样做可以更好的逼近体内细胞的生长环境，进而更真实准确地反映细胞的生理状态。
三维细胞培养技术的应用非常广泛。
例如，该技术被成功应用于组织工程领域的研究，目前已经获得了一定的成功。
此外，三维细胞培养技术还可以被广泛应用于药物研发、生物测试等领域。
二、组织芯片技术组织芯片技术是指以微小芯片上工程化构建出的人工组织为对象，通过多通道的微流控传输系统，模拟出真实人体内部微环境。
组织芯片是细胞培养技术中最新也是最为前沿的技术之一。
在组织芯片技术中，通过在微米级别的管道中流动不同的药物或生理液体，来模拟出生物组织相互作用的全部过程。
组织芯片技术除了可以更真实地反映生物组织相互作用的过程以外，还有助于更加快速准确地筛选药物和疗法的有效性。
三、量子点探针技术量子点探针技术是指通过特殊化学方法制造出的纳米级光学探针，可以实时高效地追踪细胞的物质交换过程。
量子点探针技术通常被用于研究细胞和分子运输的准确过程，并为开发新的癌症治疗方式和药物研究提供了新方法。
通过量子点探针技术，研究人员可以更加精准地观测到分子在它的周围环境中发生的变化，并能探究细胞重要代谢途径的细节。
此外，该技术还有助于开发新型的细胞境内标记物以便在分子水平上进行控制。
四、智能细胞培养箱智能细胞培养箱是一种内部控制系统非常强大的设备，它可以自动控制细胞培养过程中的环境供给，如液体、温度、湿度和氧气等。
智能细胞培养箱不仅方便了细胞培养作业，还优化了实验的结果。
3d细胞培养原理
3d细胞培养原理
3D细胞培养原理
细胞培养是生物学研究中的重要手段之一，它可以为科学家提供大量的细胞样本，以便进行各种实验和研究。
传统的细胞培养方法是在平板上进行的，但是这种方法存在一些缺陷，比如细胞无法形成真正的三维结构，这对于某些研究来说是非常不利的。
因此，3D细胞培养方法应运而生。
3D细胞培养是一种新型的细胞培养方法，它可以让细胞在三维空间中自由生长和发育，从而形成真正的三维结构。
这种方法可以更好地模拟人体内部的环境，因此在药物研发、组织工程等领域有着广泛的应用前景。
3D细胞培养的原理是将细胞种植在一种特殊的基质中，这种基质可以模拟人体内部的环境，比如细胞外基质、胶原蛋白等。
这种基质可以提供细胞所需的营养和支持，同时也可以模拟细胞在人体内部的生长环境，从而促进细胞的生长和发育。
在3D细胞培养中，细胞可以自由生长和发育，形成各种不同的结构，比如球形、管状、片状等。
这些结构可以更好地模拟人体内部的组织结构，从而为药物研发和组织工程提供更加真实的模型。
3D细胞培养的优点不仅在于可以模拟人体内部的环境，还在于可以提供更加真实的实验结果。
传统的细胞培养方法往往只能提供一
些基本的实验结果，而3D细胞培养可以更加真实地模拟人体内部的环境，从而提供更加准确的实验结果。
3D细胞培养是一种新型的细胞培养方法，它可以让细胞在三维空间中自由生长和发育，从而形成真正的三维结构。
这种方法可以更好地模拟人体内部的环境，因此在药物研发、组织工程等领域有着广泛的应用前景。
3D细胞培养
cytoskeleton, ECM, RNA metabolism, protein metabolism, signal transduction, and other functions
Fold changes> 1.5-fold or greater. RT-PCR: GAPDH(三磷酸甘油醛脱氢酶) mRNA. The gene expression changes reflected influences of culture dimension.
定的底物，体外时，这些底物可以是其他细胞、 胶原、玻璃、或塑料等。
生长方式： 贴附生长型 悬浮生长型：血细胞、癌肿细胞 CHO （中国仓鼠卵巢）
在活体体内时各自具有其特殊的形态， 在体外培养时细胞常在形态上表现得比较
单一化，失去其在体内原有的某些特征。 体外培养贴壁细胞形态 上皮样细胞 成纤维样细胞
美国约翰·霍普金斯大学研究人员发现
通过3D细胞培养，可以弥补基于2D细 胞培养的药物研究结果和临床研究结果存 在差异的不足，有助于抗癌药物的筛选。
美国俄亥俄州立大学研究人员ห้องสมุดไป่ตู้
用3D细胞培养技术来培养包括人胚胎干 细胞和结肠癌细胞在内的许多不同类型的 人源细胞 ，来筛选抗癌药物 3D培养细胞的 药物反应更加接近体内的情况，因此，在 此基础上的药物筛选也更加可靠。
3D细胞培养
学生：董浩 导师：李红民老师
简要介绍 与2D细胞培养异同
实现方法
一、简要介绍
1.细胞培养
从动物活体体内取出组织，模拟体内生 理环境，在体外孵育培养，使之生存并增 殖。可分为：细胞培养、组织培养、器官 培养。
细胞培养技术的最新进展
细胞培养技术的最新进展细胞培养技术在医学、生物学和药学等领域中发挥着重要作用。
随着生物技术的快速发展，细胞培养技术也在不断进步。
近年来，细胞培养技术的最新进展主要表现在以下几个方面。
一、三维细胞培养技术传统的细胞培养技术是在二维平面上进行的，存在一些局限性。
而三维细胞培养技术则可以更好地模拟生物体内细胞的生长环境，进而更好地研究细胞的生理和病理过程。
例如，以组织工程为基础的三维细胞培养技术可以用于修复组织和器官的缺陷，开发基于组织的新型治疗和疫苗。
二、细胞芯片技术细胞芯片技术是一种通过微电子技术制备微型细胞培养基板的技术。
这种技术可以实现快速、大规模、无污染的单细胞或多细胞分析，进而用于肿瘤学、基因组学、药物筛选等研究领域。
与传统方法相比，细胞芯片的优势在于高通量、高灵敏度和高自动化。
三、干细胞培养技术干细胞培养技术是指将干细胞保存在特殊的培养条件下，控制其生长和分化，最终得到一定类型的细胞。
这种技术可以用于再生医学、药物筛选和疾病模型的建立等领域。
近年来，不断有新的干细胞培养技术被开发出来，如诱导多能干细胞、直接重编程等。
四、多样化的细胞培养基细胞培养基是指用于培养细胞的营养液。
传统的细胞培养基是通过研究已知条件下的细胞生长要求得到的。
然而，不同种类的细胞在生长过程中需要不同的环境因素。
最新的研究表明，通过定制细胞培养基可以更好地模拟细胞在生物体内的生长环境。
而且，多样化的细胞培养基可以用于更广泛的细胞类型和应用，促进细胞增殖和差异性维持。
五、纳米技术在细胞培养中的应用纳米技术可以制备出具有降解性、生物相容性和导电性等特性的材料。
这种材料可以被用于制备高效的细胞培养基，以及控制细胞形态和大小等方面。
通过将纳米技术应用于细胞培养中，可以更好地模拟生物体内的环境，提高细胞的存活率和增殖率。
综上所述，细胞培养技术的最新进展凸显了生物技术的快速发展和不断进步的力量。
虽然这些新技术仍然存在一些局限性，但它们为细胞生物学和临床医学的发展带来了新的机遇和挑战。
三维细胞培养技术
背景资料
体外建立适合细胞和组织生长旳生理微环境对 医学研究至关主要，而老式旳单层平面培养旳细 胞不论是在形态，构造和功能方面都与在体内自 然生长旳细胞相去甚远，因为无基质支持，细胞 仅能贴壁生长，从而失去其原有旳形态特征及生 长分化能力。
三维细胞培养技术以其能为细胞和组织发 明一种均衡获取营养物质、进行气体互换 和废物排出旳理想生理场合，又易于形成 具有合理形态和生理功能旳组织器官等特 点。
• 肝脏修复：利用具有独立中空纤维膜系统旳三维 多室生物反应器，培养人原代肝实质和非实质细 胞。成果显示所培养旳实质细胞团块内可见复杂 旳胆管网络和祖细胞样旳细胞集落，并检测到血 管样结节部位旳分裂细胞中含肝细胞生长因子， 为临床上体外培养肝细胞，用于肝脏移植提供根 据。
• 心脏旳修复：采用微米和纳米级旳三维细胞培养 系统培养心肌干细胞，观察到心肌干细胞在i维灌 流培养系统中粘附、增殖旳潜伏期明显高于二维 静止培养，提醒三维细胞培养技术为心肌细胞旳 再生，以及心脏疾病旳治疗提供了有效旳途径。
三维细胞培养技术也常被应用于药物载体 、药物毒理、药物筛选、肿瘤治疗等方面 旳研究。
两种措施
Top-down 措施
可生物降解旳支架材料和水凝胶由生物可降解聚 合物构成，例如聚（乳酸），聚（乙醇酸）。
细胞封装在支架能主动成长并汇集。虽然它们旳 生长速率能够经过培养基中旳生长因子控制，但 是三维设计旳 组织具有精确控制旳细胞类型，但 是目前 细胞 - 细胞相互作用旳机理还未明确。这 些纳米纤维支架能够向暂定单元格对齐方式或粘 连因 形态，但它难以保持这些效果，因为 纳米纤 维完全覆盖培养旳细胞和体现 旳ECM旳细胞。所 以，使用可生物降解基质如凝胶或纤维支架旳常 规做法有若干限制。
细胞培养技术的新进展
细胞培养技术的新进展细胞培养技术在生物医学领域中占据着重要的位置，它可以帮助科学家们研究细胞的生长、分化和病理机制等，同时也能够为新药研发和组织工程等方面提供技术支持。
随着科技的不断进步，细胞培养技术也在不断地发展与创新。
本文将从不同的角度，探讨细胞培养技术的新进展。
一、三维细胞培养技术传统上，细胞培养是通过将细胞放置在平板上，让它们在二维平面上生长和繁殖。
然而，近年来，科学家们开始逐渐发现，三维环境才更真实地反映了人体内组织和细胞的生长和发育过程。
因此，三维培养技术应运而生。
它可以将细胞放置在材料的支架中，形成一种生物仿生环境。
这种环境可以更好地模拟人体生理环境，提高细胞的繁殖速度，并可以完成更多的细胞文化方案。
二、人工智能在细胞培养中的应用人工智能技术的迅速发展，为无菌细胞培养领域带来了一场变革。
使用人工智能技术来自动化监测和控制样品培养器的运行状态已成为最主要的应用之一。
人工智能技术的优势在于可以快速、准确地分析和存储生产和培养过程的数据，并根据实际需求和条件调整培养方案，提高生产效率，大大缩短培养周期，促进实验的顺利进行。
三、细胞基因编辑技术CRISPR/Cas9是细胞基因编辑领域中的最新技术之一。
它是一种高精度、高效率的基因编辑技术，可以在细胞基因组中准确、快速的编辑和更改基因，这对于探索基因及其功能，改善遗传疾病的治疗等方面有着重要意义。
相比于其他基因编辑技术，CRISPR/Cas9更容易实现，并且效率也更高。
当然，这项技术在细胞基因编辑方面还有许多挑战和未知领域，比如如何避免对非目标基因的影响，如何提高系统的可靠性等等。
四、多功能细胞培养板的研发植入人体的生物材料必须要符合特定的标准。
在过去，人们为生物材料的生产和加工付出了很多心血。
最近，一个功能强大的细胞培养板引起了广泛的关注。
这个细胞培养板除了提供细胞生长的环境外，还有一些其他特殊功能。
比如，它可以调节细胞间的连接，促进细胞与邻近组织之间的相互作用。
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3、支架
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6
五、研究方法
1、细胞生长及形态：体积－直径
Ki-67）
免疫组化（BrdU、PCNA、
流式细胞仪（DNA
Hoechst33342、PI）
电镜
2、细胞球的生理特性：微电极（pO2 or pH）
NMR(脂代谢)
生物体发光技术（ATP、 Lactate、glucose）
⑶血管形成： VEGF（血管内皮生长因 子）在恶性肿瘤血管形成中起主要作用
[19]
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10
4、实验性组织模型
移植物以组织或器官的方式培养，使 其在一定时间内保持原有功能
简单的讲：使细胞自发或借助人工基 质聚集并诱导细胞分化、维持细胞功能
举例：人工肝（肝细胞、纤维细胞等 与明胶海绵、琼脂、胶原共培养）[20-22]
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3、微囊化肿瘤细胞的三维培养
⑴材料：海藻酸钠，聚赖氨酸，人乳腺癌 细胞系MCF-7
⑵方法：静电液滴法
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Day 0
Day 2
Day 5
Day 7
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18
4、药物对三维生长细胞的抑制
⑴药物：丝裂霉素（MC）、阿霉素（ADM）、 5－氟尿嘧啶（5－FU）
⑵浓度和作用时间：0.1ppc,1ppc及10ppc
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3
二、三维培养的构成
1、辅助物：人工软骨[1]、PET聚乙烯酯[2]、 纤维蛋白支架[3]、胶原支架[4-5]、旋转生 物反应器[6]、微胶囊[7]、中空纤维[8]
2、细胞：原代组织细胞－大鼠肝、软骨、 脂肪[9]、成骨样细胞、干细胞[10]、 肿瘤 细胞[11]
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4
三、三维培养的特点
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11
5、胚体干细胞与拟胚体
⑴胚胎发育到囊胚期，此时细胞分化为 两大类，即位于周边的滋养层细胞和位 于腔内但居于一端的内细胞团（inner cell mass ICM）。只有ICM将来发育成 胚胎本身，把ICM从胚胎中分离出来在一 定条件下培养，可形成具有无限增殖能 力的细胞群，称为胚胎干细胞 （embryonic stem cells,ES细胞）
Peak plasma concentration (ppc), the highest level of drug that can be obtained in the blood usually following multiple doses, of ADM, MC and 5-FU was 0.4 g/mL, 3.0 g/mL and 10 g/mL, respectively .
*
*
0.1ppc
1ppc
Drug concentration
b
10ppc
23
Inhibition Rate (%) Inhibition Rate (%)
100
*
M-MC 72 h
90
M-ADM 72 h
80
M-5-FU 72 h
*
70
60
50
*
40
30
20
10
0.1ppc
1ppc
1、生长特点：三维结构、异质性、生长速 率及氧气、葡萄糖等梯度分布
2、组织学特点：细胞分三层（直径>300µm） 可有类似组织基质的物质产生
3、生长动力学：三维培养细胞以G1/G0期 细胞占优势，S期细胞较少
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5
四、三维培养的方法
1、旋转式培养：旋转细胞培养系统或培养 瓶，旋转生物反应器同时产生较多量直 径为1－2mm的细胞球
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六、三维培养的应用
1、实验性治疗
⑴放射效应[12]：分化程度影响放疗效 果
⑵药物耐受[13]：培养方式是决定耐药 的因素之一
⑶免疫疗法[14]：肿瘤细胞与免疫细胞 作用
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8
2、代谢及代谢环境研究
三维培养的细胞可模拟肿瘤生成中的无 血管阶段、微转移灶或毛细血管之间的 微区域
Seminar Ⅱ
组织细胞的三维培养
学生：张旭朗 导师：马小军 研究员 2005－5－18
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1
• 概念 • 三维培养的构成 • 三维培养的特点 • 三维培养的方法 • 研究方法 • 三维培养的应用 • 展望
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2
一、三维培养的概念
• 相对于单层细胞的二维培养而言，利用 各种方法及材料，使细胞呈空间立体方 式生长，形成类似体内组织的结构，发 挥其功能
⑵当ES细胞经过2天悬滴培养、2天悬浮
培养后，可形成简单拟胚体（3－D），
拟胚体内包含着来源于三个胚层的不同
细胞
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12
微囊化肿瘤细胞用于药筛
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13
1、抗肿瘤药物筛选的研究现状
⑴多采用体外单层培养的肿瘤细胞：简单、 易操作、费用低、可大量应用、生长方 式及环境与在体肿瘤差距较大
分别作用24h, 48h, 72h
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19
a
f
b
g
c
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h
20
d
i
e
j
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21
Diameter of cells spheroid(10－6m)
140 130 120 110 100
90 0
* *
control 0.1ppc 1 ppc 10 ppc
24
48
Time (h)
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*
72
22
Inhibition Rate (%) Inhibition Rate (%)
100
95
90
85
80
75
70
*
65
60
55 24
S 10 ppc M10 ppc *
48
Time (h)
a
*
72
100 80 60 40 20 0 -20 -40
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*
M 72 h
S 72 h
模拟在体细胞的环境：
⑴良好生长环境
⑵缺氧、缺乏营养、废物积聚或pH降低 等协同作用－－－“toxic enviroment”
[15]
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9
3、细胞的生物学特性
⑴浸润和转移：肿瘤细胞和基质共培养 （E-cadherin、 ICAM-1 ）[16,17]
⑵细胞黏附：研究细胞聚集过程中黏附 因子的作用[18]
⑵动物实验：费用高、生存条件苛刻、生 长方式及环境与在体相似
⑶手术切除标本：回顾性研究、不能动态 观察
⑷体外三维培养：模拟肿瘤生长方式及环 境、可大量应用、费用较低，如MCTS
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肿瘤细胞在体与体外三维生长示意图
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2、微囊化细胞三维共培养特点
⑴微胶囊为半透膜 ⑵细胞呈三维立体生长 ⑶生长空间可控 ⑷空间相对封闭 ⑸“被动”共培养 ⑹实质与间质细胞共培养-模拟体内